JP6364902B2

JP6364902B2 - 廃熱回収制御装置

Info

Publication number: JP6364902B2
Application number: JP2014081261A
Authority: JP
Inventors: 晋吾伊藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2034-04-10
Also published as: JP2015203305A

Description

この発明は、廃熱回収制御装置に関し、特に、内燃エンジンの廃熱回収装置を制御する廃熱回収制御装置に関する。

従来から特許文献１に記載された廃熱回収器（排気熱回収装置）が知られている。この廃熱回収器は、内燃機関の運転状態に応じて状態切替手段を制御し、熱循環経路を切り替えていた。

特開２０１０−５９８６２号公報

しかしながら、前述した従来装置では、構造が複雑化し多大な製造コストを要していた。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、構造を複雑化することなく効率的に廃熱を回収することを可能とする廃熱回収制御装置を提供することである。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による廃熱回収制御装置のひとつの態様は、過給機の過給圧が過剰に上昇することを防止するバイパス機構を有する。そして、前記バイパス機構のバイパス通路に連設されるガス通路部と、エンジン冷却水が流れる冷却水路部とを備え、前記ガス通路部を流れる排気と、前記冷却水路部を流れるエンジン冷却水との熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器の下流に設けられる排気浄化触媒が活性温度に達しても前記エンジン冷却水の温度がエンジン暖機完了温度に達するまでは、前記バイパス通路の流量を調整するウェイストゲートバルブを開弁しておくバルブ制御部をさらに有する。

この態様によれば、バイパス機構のバイパス通路に熱交換器を設けた。エンジン冷却水は、過給機のハウジングを流れるように配索されているので、この冷却水通路を延長して、熱交換器にエンジン冷却水を流すことができる。したがって、既存の装置を利用して大幅に変更することなく、効率的に廃熱を回収することができ、内燃エンジンの早期暖機化を図ることができる。そして、熱交換器の下流に設けられる排気浄化触媒が活性温度に達してもエンジン冷却水の温度がエンジン暖機完了温度に達するまでは、ウェイストゲートバルブを開弁しておくことで、高温の排気によりエンジン冷却水を暖め、内燃エンジンの暖機を促進させることができる。

図１は、本発明による内燃エンジンの廃熱回収装置の一実施形態を示す図である。図２は、熱交換器３２の斜視図である。図３は、ガス通路部３２１を一端から見た図である。図４は、図２の熱交換器３２のIV-IV断面図である。図５は、内燃エンジンの廃熱回収制御装置のコントローラーが実行するメイン制御のフローチャートである。図６は、内燃エンジンの廃熱回収制御装置のコントローラーが実行する暖機中制御のフローチャートである。図７は、内燃エンジンの廃熱回収制御装置のコントローラーが実行する通常制御のフローチャートである。図８は、実施形態の作用効果を説明するタイムチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

内燃エンジンの廃熱を回収する手法が種々提案されている。しかしながら、上述の特許文献１の手法では、構造が複雑化し多大な製造コストを要していた。そこで、本実施形態では、構造を複雑化することなく効率的に廃熱を回収することができる手法を提案する。具体的な内容を以下に説明する。

図１は、本発明による内燃エンジンの廃熱回収装置の一実施形態を示す図である。

内燃エンジンのターボチャージャー（過給機）１０のハウジング１００には、排気通路１０１と、バイパス通路１０２と、が形成される。内燃エンジンのターボチャージャー１０は、排気タービン１１１と、吸気コンプレッサー（不図示）と、ウェイストゲートバルブ１１２と、を含む。

バイパス通路１０２は、排気タービン１１１を迂回するガス通路である。バイパス通路１０２は、排気タービン１１１の上流の排気通路１０１から分岐して、排気タービン１１１の下流の排気通路１０１に合流する。

排気タービン１１１は、排気通路１０１に設けられる。排気タービン１１１は、不図示の吸気コンプレッサーと同軸に設けられる。排気タービン１１１は、排気通路１０１を流れる排気によって回転駆動される。

ウェイストゲートバルブ１１２は、バイパス通路１０２のゲート（入口）１２ａに設けられる。ウェイストゲートバルブ１１２は、アクチュエーター１５によって開度が調整されて、バイパス通路１０２を流れるガスの流量をコントロールする。

アクチュエーター１５は、タービンハウジング１００に取り付けられる。アクチュエーター１５は、リンク機構１６を介してウェイストゲートバルブ１１２に連結される。アクチュエーター１５は、たとえばＤＣモーターである。

リンク機構１６は、ストロークロッド１６１と、回動ロッド１６２と、ジョイント１６３と、ピボット１６４とを含む。ストロークロッド１６１は、一端（図１では下端）にラックギヤ（不図示）が形成される。このラックギヤは、アクチュエーター１５のピニオンギヤ（不図示）と噛合する。アクチュエーター１５のピニオンギヤが回転すると、ストロークロッド１６１が、図１の矢印Ａ１のように、上下にストロークする。回動ロッド１６２は、ウェイストゲートバルブ１１２に固設される。回動ロッド１６２は、ピボット１６４を中心として、図１の矢印Ａ２のように回動する。ストロークロッド１６１及び回動ロッド１６２は、ジョイント１６３を介して連接される。ストロークロッド１６１は上下にストロークし、回動ロッド１６２はピボット１６４を中心として回動するので、両者の端部の位置に誤差が生じる。そこで、ジョイント１６３には誤差吸収機構が内蔵されている。たとえば、ダブルジョイントによって誤差を吸収したり、長孔とその長孔に挿入されるロッドによって誤差を吸収すればよい。

このような構成になっているので、アクチュエーター１５が作動してストロークロッド１６１がストロークすると、回動ロッド１６２が回動し、ウェイストゲートバルブ１１２の開度が調整される。なおウェイストゲートバルブ１１２の開度（ストロークロッド１６１のストローク量）は、アクチュエーター１５に内蔵された開度センサー１５ａで検出される。

またバイパス通路１０２には、熱交換器３２が設けられている。熱交換器３２は、ガス通路部３２１と、冷却水路部３２２とを備える。ガス通路部３２１は、バイパス通路１０２に連設されて排気が流れる。冷却水路部３２２には、エンジン冷却水が流れる。このような構造であるので、熱交換器３２は、ガス通路部３２１を流れる排気と、冷却水路部３２２を流れるエンジン冷却水との熱交換を行うことができる。熱交換器３２の詳細については、図２を参照して説明される。

図２は、熱交換器３２の斜視図である。

熱交換器３２は、上述のように、ガス通路部３２１と、冷却水路部３２２とを備えている。ガス通路部３２１の入口３２１ａが内燃エンジン側（排気タービン１１１の上流側）であり、出口３２１ｂが排気浄化触媒側（排気タービン１１１の下流側）である。エンジン冷却水は、冷却水路部３２２の入口３２２ａから出口３２２ｂに流れる。

図３は、ガス通路部３２１を一端から見た図である。

ガス通路部３２１は、隔壁３２１ａによって仕切られた複数のセル３２１ｂを有するハニカム構造体である。なお本実施形態でいうハニカム構造体とは、セル３２１ｂの形状を六角形状のものに限定する趣旨ではない。セル３２１ｂの形状としては格子形状やその他種々の形状であってもよい。

セル３２１ｂは、一方の端面から他方の端面まで軸方向に貫通する。このセル３２１ｂに、排気が流通する。このような構造であるので、熱交換器３２に導入された排気は、ガス通路部３２１の各セル３２１ｂを通過することで整流される。

ハニカム構造体の材質としては、ＳｉＣ（炭化ケイ素）を含むとよい。ＳｉＣは、熱伝導が高いので、ガス通路部３２１を流れる排気が、冷却水路部３２２を流れる冷却水との間の熱交換効率が高くなるからである。またそのようなハニカム構造体の表面に排気を浄化可能な触媒成分を塗布して排気浄化触媒層を形成しておくことがさらに好ましい。ここには、高温の排気が流れるので、触媒成分が早期に活性化し始動直後の排気浄化性能が向上するからである。

図４は、図２の熱交換器３２のIV-IV断面図である。

冷却水路部３２２は、ガス通路部３２１の周囲に構成される。ガス通路部３２１の内側が、ガス通路部３２１を収容する収容部３２３である。冷却水路部３２２は、入口３２２ａから冷却水を導入し、出口３２２ｂから冷却水を排出する。

冷却水路部３２２の入口３２２ａ及び出口３２２ｂは、互いに対向するように形成される。内燃エンジンのターボチャージャー１０のハウジング１００を流れたエンジン冷却水が、この冷却水路部３２２を流れる。

以上のような構造によって、熱交換器３２に導かれた高温の排気は、ガス通路部３２１で整流されつつ、冷却水路部３２２を流れるエンジン冷却水と熱交換して、排気浄化触媒に向かう。

図５は、内燃エンジンの廃熱回収制御装置のコントローラーが実行するメイン制御のフローチャートである。

ステップＳ１１０においてコントローラーは、排気浄化触媒が活性温度に達したか否か、すなわち排気浄化触媒の暖機中か否かを判定する。なおこの温度は、排気浄化触媒に温度センサーを取り付けることで直接検出しても、排気温度や内燃エンジンの運転時間に基づいて演算（間接的に検出）してもよい。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１２０に処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１３０に処理を移行する。

ステップＳ１２０においてコントローラーは、エンジン水温が、内燃エンジンの暖機完了温度に達したか否か、すなわち内燃エンジン暖機中か否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１３０に処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ１４０に処理を移行する。

ステップＳ１３０においてコントローラーは、暖機中制御を実行する。この暖機中制御の具体的な内容は、後述される。

ステップＳ１４０においてコントローラーは、通常制御を実行する。この通常制御の具体的な内容は、後述される。

図６は、内燃エンジンの廃熱回収制御装置のコントローラーが実行する暖機中制御のフローチャートである。

ステップＳ１３１においてコントローラーは、要求負荷が大であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１３２に処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１３３に処理を移行する。

ステップＳ１３２においてコントローラーは、ウェイストゲートバルブ１１２を開く。

ステップＳ１３３においてコントローラーは、ウェイストゲートバルブ１１２を閉じる。

図７は、内燃エンジンの廃熱回収制御装置のコントローラーが実行する通常制御のフローチャートである。なおこの図７は、通常制御の一例を示すに過ぎない。通常制御の内容は、車両の仕様などに応じて適宜設定すればよい。

ステップＳ１４１においてコントローラーは、アイドル運転であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１４２に処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１４４に処理を移行する。

ステップＳ１４２においてコントローラーは、高負荷運転であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１４３に処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１４４に処理を移行する。

ステップＳ１４３においてコントローラーは、ウェイストゲートバルブ１１２を閉じる。

ステップＳ１４４においてコントローラーは、ウェイストゲートバルブ１１２を開く。

図８は、実施形態の作用効果を説明するタイムチャートである。

まず最初に比較形態（バイパス通路１０２に熱交換器３２が設けられていない一般的な装置の制御）について説明する。

時刻ｔ１までは、排気浄化触媒が活性していない状態（触媒暖機中）である。この状態では、触媒暖機制御を実行する。すなわち、内燃エンジンのターボチャージャー１０のハウジング１００や排気タービン１１１などの温度も低い。そのため、ウェイストゲートバルブ１１２を閉じて排気をターボチャージャー１０に流しては、排気の熱がターボチャージャー１０に奪われて、排気浄化触媒の暖機が遅れてしまう。そこで、この状態では、排気温の低下を防止すべくウェイストゲートバルブ１１２を開いておく。

時刻ｔ１で、排気浄化触媒が活性したら（触媒暖機完了）、ウェイストゲートバルブ１１２を閉じて、通常制御に移行する。通常制御では、高負荷運転状態では、排気量が非常に多くなるので、ウェイストゲートバルブ１１２を開いて、過給圧の過上昇を防止する。図８では、時刻ｔ５でアクセルペダルが踏まれるものの、大きくは踏まれておらず、高負荷運転には当たらない。このような状態では、ウェイストゲートバルブ１１２は閉じられたままである。一方、時刻ｔ６では、アクセルペダルが大きく踏まれて車速が急上昇している。このような状態では、ウェイストゲートバルブ１１２が開かれる。そして、時刻ｔ７で所望の車速に達したので、アクセルペダルが戻されて、一定車速になる。この状態では、高負荷運転には当たらず、ウェイストゲートバルブ１１２が閉じられる。

次に本実施形態について説明する。なお上記フローチャートとの対応を明確にするために、ステップ番号を括弧書きする。

時刻ｔ１までは、排気浄化触媒が活性していない状態（触媒暖機中）である。この状態では、コントローラーは、ステップＳ１１０→Ｓ１３０→Ｓ１３１→Ｓ１３２を順次処理して、ウェイストゲートバルブ１１２を開いておく。この結果、高温の排気が排気浄化触媒に流れるので、排気浄化触媒の暖機が促進される。また高温の排気が熱交換器３２のガス通路部３２１に流れて、冷却水路部３２２を流れるエンジン冷却水と熱交換する。これによって、エンジン冷却水が暖められて、内燃エンジンの暖機が促進される。

時刻ｔ１で、排気浄化触媒が活性しても（触媒暖機完了）、エンジン水温は、排気浄化触媒の温度に比べて、上昇しにくいので、内燃エンジンの暖機は完了しない。この状態では、コントローラーは、ステップＳ１１０→Ｓ１２０→Ｓ１３０→Ｓ１３１→Ｓ１３２を順次処理して、ウェイストゲートバルブ１１２を開いておく。この結果、高温の排気が熱交換器３２のガス通路部３２１に流れて、冷却水路部３２２を流れるエンジン冷却水と熱交換する。これによって、エンジン冷却水が暖められて、内燃エンジンの暖機が促進される。

時刻ｔ２では、内燃エンジンの暖機が完了していないが、アクセルペダルが操作されて、要求負荷が大きくなる。この状態では、コントローラーは、ステップＳ１１０→Ｓ１２０→Ｓ１３０→Ｓ１３１→Ｓ１３３を順次処理して、ウェイストゲートバルブ１１２を閉じる。この結果、十分な排気がターボチャージャーの排気タービン１１１に流れることとなり、アクセルペダルの操作量に応じた十分な加速が得られる。

時刻ｔ３で、所望の車速に達したので、アクセルペダルが戻されて、一定車速になる。この状態では、コントローラーは、ステップＳ１１０→Ｓ１２０→Ｓ１３０→Ｓ１３１→Ｓ１３２を順次処理して、ウェイストゲートバルブ１１２を開く。この結果、高温の排気が熱交換器３２のガス通路部３２１に流れて、冷却水路部３２２を流れるエンジン冷却水と熱交換する。これによって、エンジン冷却水が暖められて、内燃エンジンの暖機が促進される。

時刻ｔ４で、内燃エンジンの暖機が完了する。この状態では、コントローラーは、ステップＳ１１０→Ｓ１２０→Ｓ１４０と処理して、通常制御に移行する。通常制御では、ウェイストゲートバルブ１１２は、比較形態と同様に制御される。すなわち、時刻ｔ５でアクセルペダルが踏まれるものの、大きくは踏まれておらず、高負荷運転には当たらない。このような状態では、コントローラーは、ステップＳ１１０→Ｓ１２０→Ｓ１４０→Ｓ１４１→Ｓ１４２→Ｓ１４３と順次処理して、ウェイストゲートバルブ１１２を閉じておく。

時刻ｔ６で、アクセルペダルが大きく踏まれて車速が急上昇する。この高負荷運転状態では、コントローラーは、ステップＳ１１０→Ｓ１２０→Ｓ１４０→Ｓ１４１→Ｓ１４２→Ｓ１４４と順次処理して、ウェイストゲートバルブ１１２を開く。この結果、過給圧の過上昇を防止できる。また高温の排気が熱交換器３２に流れて、冷却水路部３２２を流れるエンジン冷却水と熱交換して、冷却されるので、排気浄化触媒が熱劣化しにくくなる。

時刻ｔ７で所望の車速に達したので、アクセルペダルが戻されて、一定車速になる。この状態では、高負荷運転には当たらない。そこで、コントローラーは、ステップＳ１１０→Ｓ１２０→Ｓ１４０→Ｓ１４１→Ｓ１４２→Ｓ１４３と順次処理して、ウェイストゲートバルブ１１２を閉じる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、ターボチャージャー１０のバイパス通路１０２に、排気とエンジン冷却水との熱交換を行うことができる熱交換器３２を設けた。エンジン冷却水は、内燃エンジンのターボチャージャー１０のハウジング１００を流れるように配索されているので、この冷却水通路を延長して、熱交換器３２にエンジン冷却水を流すことができる。したがって、既存の装置を利用して大幅に変更することなく、効率的に廃熱を回収することができ、内燃エンジンの早期暖機化を図ることができる。

また熱交換器３２のガス通路部３２１の表面に排気を浄化可能な触媒成分を塗布して排気浄化触媒層を形成しておけば、ガス通路部３２１を流れる排気を浄化できる。ここには、高温の排気が流れるので、触媒成分が早期に活性化し始動直後の排気浄化性能が向上する。

さらに本実施形態では、熱交換器３２の下流に設けられる排気浄化触媒が活性温度に達してもエンジン冷却水の温度がエンジン暖機完了温度に達するまでは、ウェイストゲートバルブ１１２を開弁しておく。このようにしたので、高温の排気が熱交換器３２（ガス通路部３２１）を流れて、熱交換器３２（冷却水路部３２２）を流れるエンジン冷却水が暖められる。これによって、内燃エンジンの暖機が促進される。

ただし、本実施形態では、エンジン冷却水の温度がエンジン暖機完了温度に達する前であっても、要求負荷が大きい場合には、ウェイストゲートバルブ１１２を閉弁する。このようにしたので、アクセルペダルの操作量に応じた十分な加速を得ることができる。

また、エンジン冷却水の温度がエンジン暖機完了温度に達した後の高負荷運転状態では、ウェイストゲートバルブ１１２を開弁する。このようにしたので、過給圧の過上昇を防止できる。また高温の排気が熱交換器３２に流れて、冷却水路部３２２を流れるエンジン冷却水と熱交換して、冷却されるので、排気浄化触媒が熱劣化しにくくなる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

たとえば、上記説明においては、内燃エンジンの過給機のバイパス機構に熱交換器を組み合わせる場合の制御を説明した。しかし、これには限られない。内燃エンジンのＥＧＲ機構のＥＧＲクーラーとして、上述の熱交換器３２を適用してもよい。そして、この場合において、ＥＧＲ通路が排気通路から分岐する部分よりも下流に設けられる排気浄化触媒が活性温度に達しても、エンジン冷却水の温度がエンジン暖機完了温度に達するまではＥＧＲバルブを開弁しておくことで、内燃エンジンの暖機を促進できる。また、エンジン冷却水の温度がエンジン暖機完了温度に達する前であっても、要求負荷が所定値よりも大きい場合にはＥＧＲバルブを閉弁することで、アクセルペダルの操作量に応じた十分な加速を得ることができる。

なお上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１０ターボチャージャー（過給機）
１００ハウジング
１０１排気通路
１０２バイパス通路
１１２ウェイストゲートバルブ
３２熱交換器
３２１ガス通路部
３２２冷却水路部
Ｓ１３０，Ｓ１４０バルブ制御部

Claims

過給機の過給圧が過剰に上昇することを防止するバイパス機構と、
前記バイパス機構のバイパス通路に連設されるガス通路部と、エンジン冷却水が流れる冷却水路部とを備え、前記ガス通路部を流れる排気と、前記冷却水路部を流れるエンジン冷却水との熱交換を行う熱交換器と、
を有する内燃エンジンの廃熱回収装置を制御する、廃熱回収制御装置であって、
前記熱交換器の下流に設けられる排気浄化触媒が活性温度に達しても前記エンジン冷却水の温度がエンジン暖機完了温度に達するまでは、前記バイパス通路の流量を調整するウェイストゲートバルブを開弁しておくバルブ制御部を有する、
廃熱回収制御装置。
請求項１に記載の廃熱回収制御装置において、
前記熱交換器は、前記ガス通路部に形成された排気浄化触媒層をさらに備える、
廃熱回収制御装置。
請求項１又は請求項２に記載の廃熱回収制御装置において、
前記バルブ制御部は、前記エンジン冷却水の温度がエンジン暖機完了温度に達する前であっても要求負荷が所定値よりも大きい場合には、前記ウェイストゲートバルブを閉弁する、
廃熱回収制御装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の廃熱回収制御装置において、
前記バルブ制御部は、前記エンジン冷却水の温度がエンジン暖機完了温度に達した後の高負荷運転状態では、前記ウェイストゲートバルブを開弁する、
廃熱回収制御装置。